DE19953464A1 - Haftkraft-Prüfstand - Google Patents

Abstract

Mit dem Haftkraft-Prüfstand kann die tangentiale Haftkraft zwischen Probekörperflächen gemessen werden, insbesondere die Kraft, die für das In-Bewegung-Setzen gleitend gelagerter Baugruppen notwendig ist. Der Prüfstand ist so ausgebildet, daß der Wert der durch Haftreibung bedingten Haftkraft zwischen Probekörperflächen exakt in dem Zeitpunkt bestimmbar ist, in dem die Relativbewegung zwischen den Probekörperflächen einsetzt. Der Prüfstand ermöglicht es, die auf die Probekörper aufzubringende, der Haftkraft entgegengerichtete Kraft unter Konstanthaltung der wirksamen Normalkraft stufenlos bis zum notwendigen Maximalwert zu verändern. DOLLAR A Dies wird erreicht, indem zum Aufbringen der Tangentialkraft auf den verschiebbaren Probekörper (14) ein Winkelhebel (2) vorgesehen ist, der auf einer im Rahmen (1) abgestützten Achse (3) gelagert ist und dessen erster Hebelarm (15) sich am verschiebbaren Probekörper (14) abstützt. Auf dem zweiten Hebelarm des Winkelhebels (2), der zu Beginn der Messung im wesentlichen horizontal ausgerichtet ist, ist ein Laufgewicht (5) verschiebbar angeordnet. Ferner sind ein Antrieb (6) für das Laufgewicht (5) sowie eine Einrichtung vorgesehen, mit der die Position des Laufgewichts (5) in dem Zeitpunkt bestimmbar ist, in dem der verschiebbare Probekörper (14) zu gleiten beginnt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Haftkraft-Prüfstand zur Messung der tangentialen Haftkraft zwischen Probekörperflächen. Der Prüfstand ist insbesondere geeignet, um für gleitend gelagerte Baugruppen die Kraft zu messen, die für deren In-Bewegung-Setzen notwendig ist.

Für die Haftkraft-Messung von geklebten oder anderen stoffschlüssigen Verbindungen sind Zugversuche geeignet. Prinzipiell können Zug- oder Druckprüfmaschinen auch zur Messung der ausschließlich durch Haftreibung bedingten tangentialen Haftkraft zwischen Probekörperflächen genutzt werden. Für Untersuchungen an Originalteilen sind derartige Prüfmaschinen jedoch nicht oder nur mit Einschränkungen geeignet.

Im einfachsten Fall kann die durch Haftreibung bedingte Haftkraft zwischen Probekörperflächen bestimmt werden, indem eine tangentiale Zugkraft mittels eines mit Gewichten belasteten Seiles aufgebracht wird. Diese Zugkraft ist jedoch meist nur stufenweise veränderbar.

Die Kraftaufbringung kann auch mittels eines hydraulischen Antriebs oder einer Gewindespindel erfolgen, wobei die Reaktionskraft am unbewegten Teil gemessen werden kann. Nachteilig ist hierbei, daß in der Belastungsvorrichtung oder in der Abstützung zusätzliche Gegenkräfte unkontrolliert entstehen können und damit das Meßergebnis entscheidend beeinflussen. Bewegte Unterlagen und elastisch abgestützte Oberproben haben zudem den Nachteil, daß dieses bewußt erzeugte Schwingungssystem stick-slip-Erscheinungen gut registriert, aber die Methode wegen der erforderlichen Massenbeschleunigung zur Ermittlung der Haftkraft nur bedingt exakte Ergebnisse und nur für kleine Massen ergibt.

Statt einer geradlinigen Krafteinleitung können Tangentialkräfte auch als Torsionkräfte auf die Probekörper eingeleitet werden. Nachteilig ist in dieser Variante, daß über die kreisförmige Berührungsfläche nur ein integrales Gegenmoment erzeugt wird und damit keine eindeutigen Gesetzmäßigkeiten vorliegen. Mögliches Verkanten der beiden Körper führt automatisch zu abweichenden Ergebnissen aus der Konstellation der Berührungsgeometrie.

Aus dem publizierten Stand der Technik ist auch eine speziell für die Messung des Haftvermögens bzw. der Adhäsion zweier streifenförmiger Materialproben vorgesehene Anordnung bekannt (DE 19 09 923). Die Materialproben werden hierbei unter einer vorgegebenen Last für eine bestimmte Zeit in Berührung gebracht und anschließend mittels einer parallel zur Berührungsfläche angreifenden Zugkraft getrennt, wobei die für die Trennung benötigte Höchstkraft gemessen wird. Diese Anordnung ist bevorzugt für die Belastung von Klebverbindung geeignet, jedoch weniger für die Messung von Haftreibungswerten in einem weiten Normalkraft-Bereich.

Aus dem Inhalt der DE 36 35 263 ist auch die Verwendung eines Gleitkörpers auf einer Gleitbahn (schiefe Ebene) bekannt, deren Neigungswinkels schrittweise von Null bis zum Eintritt des Gleitens erhöht wird. Da bei dieser Lösung die den Probekörper belastende Normalkraft stark von der Neigung Gleitbahn abhängt, ist diese Anordnung für Untersuchungen bei annähernd konstanter Normalkraft wenig geeignet.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen Haftkraft-Prüfstand zu schaffen, mit dem der Wert der durch Haftreibung bedingten Haftkraft zwischen Probekörperflächen möglichst exakt in dem Zeitpunkt bestimmbar ist, in dem die Relativbewegung zwischen den Probekörperflächen einsetzt. Ein wesentlicher Teilaspekte dieser Aufgabe besteht darin, daß die auf die Probekörper aufzubringende, der Haftkraft entgegengerichtete Kraft unter Konstanthaltung der wirksamen Normalkraft möglichst stufenlos bis zum notwendigen Maximalwert veränderbar ist. Um systematische Meßfehler zu minimieren, soll der zu schaffende Haftkraft-Prüfstand zudem speziell so ausgebildet sein, daß beim Einsetzen der Relativbewegung zwischen den Probekörpern die übrigen Bestandteile des Prüfstandes möglichst wenig bzw. erst mit zeitlicher Verzögerung beschleunigt werden.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Haftkraft-Prüfstand gemäß Anspruch 1 gelöst.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht in den relativ kleinen zu beschleunigenden Massen im Moment des Übergangs von der Ruhereibung (Haftkraft) zur Gleitreibung. Damit wird ein schlagartiges Losbrechen des verschiebbaren Probekörpers gewährleistet. Dies bewirkt eine sehr gute Reproduzierbarkeit des Meßergebnisses.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung gegenüber Anordnungen, die das Prinzip der "schiefen Ebene" benutzen, besteht darin, daß die Normalkraft unabhängig von der Tangentialkraft veränderbar ist.

Mit der erfindungsgemäßen Anordnung lassen sich sowohl großflächige als auch kleinstflächige Untersuchungen des Haftkraftverhaltens von Originalteilen oder Modellen durchführen. Insbesondere lassen sich vergleichende Untersuchungen durch Verwendung unterschiedlicher Werkstoffe für die Prüfkörper durchführen.

Ebenso läßt der Einfluß von Zwischenstoffen auf die Haftkraft untersuchen, wobei diese Untersuchungen auch bei vorgegebenen Temperaturen durchführbar sind.

Eine Messung des Übergangswiderstandes zwischen den Kontaktflächen gibt Aufschluß über auftretende Trennvorgänge bzw. sich einstellende Kontakte beim Durchbrechen des Zwischenstoffes.

Durch Einsatz eines geeigneten Meßwertaufnehmers, der die Anfangsbeschleunigung des verschiebbaren Probekörpers mißt, kann das Übergangsverhaltens des Tribosystems von der Haftreibung zur Gleitreibung erfaßt werden.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Anordnung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Im folgenden ist die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

In der zugehörigen Zeichnung zeigen

Fig. 1 eine stark schematisierte Darstellung des erfindungsgemäßen Haftkraft-Prüfstandes in der Seitenansicht,

Fig. 2 Varianten von Probekörper-Geometrien,

Fig. 3 ein Diagramm mit Meßwerten, die mit dem erfindungsgemäßen Haftkraft-Prüfstand aufgenommen wurden.

Aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit wurde auf die Darstellung elektrischer Hilfs- und Meßeinrichtungen verzichtet, was jedoch nicht ausschließt, diese Einrichtungen zwecks Automatisierung oder komfortabler Auswertung der Meßergebnisse einzusetzen.

Entsprechend Fig. 1 weist der Haftkraft-Prüfstand zur Messung der tangentialen Haftkraft F_H zwischen zwei Probekörpern 13 und 14 einen biegesteifen Rahmen 1 auf, auf dem alle beweglichen und unbeweglichen Baugruppen angeordnet sind. Dieser Rahmen wird zur besseren Handhabung und Bedienung auf einem in der Zeichnung nicht dargestellten Gestell aufgebracht.

Am Rahmen 1 ist ein einstellbares Festlager 8 angeordnet, das eine Horizontalbewegung des unteren Probekörpers 13 verhindert. Die Belastung des verschiebbaren Probekörpers 14 durch eine Normalkraft wird mittels einer Gewichtskraft erzeugt. Hierzu ist mindestens ein Massekörper 12 mittels eines ein- oder mehrgliedrigen Koppelgliedes 11 pendelnd am verschiebbaren Probekörper 14 aufgehängt. Dabei sind Masse und Geometrie des Massekörpers 12 und des Koppelgliedes 11 so dimensioniert, daß daß der Abstand des Schwerpunktes des jeweils aus Massekörper 12 und Koppelglied 11 bestehenden Systems und seiner am verschiebbaren Probekörper 14 angeordneten Aufhängung 9 mindestens das 50fache, vorzugsweise das 200fache bis 400fache des maximalen Verschiebeweges beträgt, den der verschiebbare Probekörper 14 nach seinem Losbrechen zurücklegt. Mit dieser Dimensionierung werden die zu beschleunigenden Massen im Moment des Übergangs von der Ruhereibung (Haftkraft) zur Gleitreibung relativ klein gehalten. Damit wird ein schlagartiges Losbrechen des verschiebbaren Probekörpers gewährleistet, was eine sehr gute Reproduzierbarkeit des Meßergebnisses bewirkt.

Die Aufhängung des Koppelgliedes 11 am verschiebbaren Probekörper 14 ist als Stützlager 9 ausgebildet, vorzugsweise als Spitzenlager. Damit wird der Versuchspraxis Rechnung getragen, in der auch Fälle auftreten, in denen sich der verschiebbare Probekörper 14 unter dem Einfluß der Tangentialkraft in einer Richtung bewegt, die aus der Zeichenebene herausweist. Dies tritt z. B. bei örtlichen Inhomogenitäten der Haftkraft auf.

Die parallel zu den Probekörper-Gleitflächen gerichtete Tangentialkraft wird mittels eines Winkelhebels 2 auf den verschiebbaren Probekörper 14 aufgebracht, dessen erster Hebelarm 15 sich am verschiebbaren Probekörper 14 abstützt. Der Winkelhebel 2 ist auf einer im Rahmen 1 abgestützten Achse 3 gelagert.

Der Winkelhebel 2 wird mit einem Kompensationsgewicht 4 austariert und mittels einer Gewindespindel 10, die sich am verschiebbaren Probekörper 14 abstützt, justiert und ausnivelliert, bis unter einer geringen Vorlast die Kontrollzunge des Winkelhebels 2 mit der gegenüberliegenden Marke 2.1 zur Deckung gelangt.

Zur Durchführung der Messung wird das auf dem Winkelhebel 2 geführte und abgestützte Laufgewicht 5 in Richtung der Spitze des Winkelhebels 2 bewegt. Dadurch wird die Tangentialkraft solange erhöht, bis sie größer als die Haftkraft F_H ist und der verschiebbare Probekörper 14 losgebrochen wird und zu gleiten beginnt. Die Stellung des Laufgewichts 5 zu diesem Zeitpunkt ist auf einer Skale 20 ablesbar. Die wirksame Tangentialkraft ergibt sich unmittelbar aus dieser Stellung, dem Gewicht des Laufgewichts 5 und dem Übersetzungsverhältnis des Winkelhebels 2.

Der gleichmäßige und kontinuierliche Antrieb des Laufgewichts S erfolgt mittels Seilzug. Hierzu wird das Seil über die Welle einer Kurbel 6 geschlungen und zur Erzeugung einer Seilreibung mit einem kleinen Gewicht 7 belastet. Drehungen der Kurbel 6 erzeugen durch Seilreibung das Moment MT und bewegen daher das Laufgewicht 5. Im Moment des Losbrechens des verschiebbaren Probekörpers 14 sinkt der Winkelhebel 2 ab, bis die Platte 18 auf das um die Welle der Kurbel 6 geschlungene Seil auftritt. Dies verhindert sowohl die Weiterbewegung des Laufgewichts 5 als auch des Winkelhebels 2. Die Position, die das Laufgewicht 5 im Moment des Losbrechens des verschiebbaren Probekörpers 14 einnimmt, wird durch einen am Laufgewicht angeordneten Zeiger 19 angezeigt, der auf die Skale 20 weist. Es versteht sich von selbst, daß der in der Zeichnung dargestellte Antrieb des Laufgewichts 5 mittels Handkurbel 6 und Zugseil durch andere Antriebsarten ersetzbar ist.

Zur Erweiterung des Meßbereiches kann über eine Aufhängevorrichtung 16 eine Vorlast 17 aufgebracht werden.

Hervorzuheben ist die Möglichkeit, den Übergangswiderstand zwischen den Probekörpern 13 und 14 zu messen oder mit Hilfe einer einfachen Lampe 21 einen metallischen Kontakt oder die Trennung der Probekörper, z. B. durch einen hochohmigen Zwischenstoff, zu signalisieren.

Fig. 2d zeigt den Normalfall einer Prüfkörpergeometrie mit großflächiger Kontaktfläche.

Fig. 2a bis 2c zeigen Sonderfälle von Prüfkörpergeometrien mit punkt- oder linienförmigen Kontaktflächen. Zur Untersuchung des Haftkraft-Verhaltens und der Eingriffsverhältnisse bei diesen Sonderfälle müssen zur Herstellung einer statisch bestimmten Auflage immer drei derartige Prüfkörper mit gleicher Gestalt, Struktur und Ausrichtung gemäß Fig. 2e angeordnet sein. Die Normalkraft wird im Flächenmittelpunkt des aus den drei Auflagepunkten (Fig. 2e) aufgespannten Dreiecks aufgebracht. Damit ist man in der Lage, Adhäsions- oder Scherkräfte bzw. Losbrechkräfte auch für kleinste Prüfkörper oder Kontaktflächen mittels des erfindungsgemäßen Haftkraft-Prüfstandes zu bestimmen.

Claims (13)

1. Haftkraft-Prüfstand zur Messung der tangentialen Haftkraft zwischen einem lagefixierten und einem verschiebbaren Probekörper (13; 14), auf die eine vorgebbare Normalkraft einwirkt, mit Mitteln zum Aufbringen einer parallel zu den Probekörper-Gleitflächen gerichteten Tangentialkraft, die unabhängig von der Normalkraft stufenlos bis zu einem für das Überwinden der Haftkraft notwendigen Wert veränderbar ist, wobei

• - zum Aufbringen der Tangentialkraft auf den verschiebbaren Probekörper (14) ein Winkelhebel (2) vorgesehen ist, der auf einer im Rahmen (1) abgestützten Achse (3) gelagert ist und dessen erster Hebelarm (15) sich am verschiebbaren Probekörper (14) abstützt,
• - auf dem zweiten Hebelarm des Winkelhebels (2), der zu Beginn der Messung im wesentlichen horizontal ausgerichtet ist, ein Laufgewicht (5) verschiebbar angeordnet ist,
• - ein Antrieb (6) für das Laufgewicht (5) sowie eine Einrichtung vorgesehen sind, mit der die Position des Laufgewichts (5) mindestens in dem Zeitpunkt bestimmbar ist, in dem der verschiebbare Probekörper (14) zu gleiten beginnt.

2. Haftkraft-Prüfstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kompensationsgewicht (4) zum Austarieren des Winkelhebels (2) vorgesehen ist.

3. Haftkraft-Prüfstand nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich der erste Hebelarm (15) des Winkelhebels (2) mittels einer verstellbaren Gewindespindel (10) am verschiebbaren Probekörper (14) abstützt.

4. Haftkraft-Prüfstand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß am zweiten Hebelarm des Winkelhebels (2) eine veränderbare Vorlast (7) angeordnet ist.

5. Haftkraft-Prüfstand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb (6) des Laufgewichts (5) als Seilantrieb ausgebildet ist, bei dem das Seil über die Welle einer Kurbel (6) geschlungen und mit einem Gewicht (7) zur Erzeugung einer Seilreibung belastet ist.

6. Haftkraft-Prüfstand nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß am zweiten Hebelarm des Winkelhebels (2) eine Bremsfläche (19) angeordnet ist, die beim Absinken dieses Hebelarmes in Wirkverbindung mit dem Seilantrieb gelangt.

7. Haftkraft-Prüfstand nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sensor vorgesehen ist, der das Auslenken des zweiten Hebelarmes des Winkelhebels (2) in dem Zeitpunkt erfaßt, in dem der verschiebbare Probekörper (14) zu gleiten beginnt.

8. Haftkraft-Prüfstand nach einem der Anspruche 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor in Wirkverbindung mit einer Steuerschaltung für eine Bremse des Antriebs (6) des Laufgewichts (5) steht.

9. Haftkraft-Prüfstand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zum Aufbringen der Normalkraft mindestens ein Massekörper (12) vorgesehen ist, der mittels eines ein- oder mehrgliedrigen Koppelgliedes (11) pendelnd am verschiebbaren Probekörper (14) aufgehängt ist, und der Schwerpunkt des jeweils aus Massekörper (12) und Koppelglied (11) bestehenden Systems in einem vorgebbaren Abstand unterhalb der Aufhängung des Koppelgliedes (11) liegt.

10. Haftkraft-Prüfstand nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufhängung des Koppelgliedes (11) am verschiebbaren Probekörper (14) als Stützlager (9) ausgebildet ist.

11. Haftkraft-Prüfstand nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Stützlager (9) als Spitzenlager ausgebildet ist.

12. Haftkraft-Prüfstand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand des Schwerpunktes des jeweils aus Massekörper (12) und Koppelglied (11) bestehenden Systems und seiner am verschiebbaren Probekörper (14) angeordneten Aufhängung (9) mindestens das 50fache, vorzugsweise das 200fache bis 400fache des maximalen Verschiebeweges beträgt, den der verschiebbare Probekörper (14) nach seinem Losbrechen zurücklegt.

13. Haftkraft-Prüfstand nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen dem Schwerpunkt des jeweils aus Massekörper (12) und Koppelglied (11) bestehenden Systems und seiner am verschiebbaren Probekörper (14) angeordneten Aufhängung (9) so dimensioniert ist, daß die Schwingungsdauer des Systems größer, vorzugsweise mehr als 5mal größer, als die Zeitspanne ist, in welcher Messungen an dem verschiebbaren Probekörper (14) nach dessen Losbrechen erfolgen.